一种用于基于储能的平衡区对新能源提供的阻尼计算方法

1.本发明涉及储能对新能源并网系统提供虚拟阻尼的领域，特别是一种用于基于储能的平衡区对新能源提供的阻尼计算方法。


背景技术：

2.风能由于其具有随机性、间歇性和波动性，为了避免其不稳定性对电力系统造成严重的影响，目前普遍的研究是在系统中加入储能来缓冲这种不平衡功率带来的影响，于是有基于多个储能集中与同一特定区域的平衡区来抑制新能源的波动，针对储能接入新能源并网的研究主要停留在对新能源静态稳定性的影响上，对储能对新能源系统的动态稳定性的影响研究较少。而现在风能的大量利用和风力技术的成熟，亟需对储能的稳定性进行研究。随着储能平衡区的运行工况、储能数量和功率的变化对新能源并网的影响研究的深入，目前研究都难以对其做出具体的评价指标和定量分析。


技术实现要素：

3.基于储能技术对新能源并网的稳定性影响的定量分析问题，由此提出一种用于基于储能的平衡区对并联新能源提供的虚拟阻尼分析方法，解决了现有技术中的问题。
4.一种用于基于储能的平衡区对新能源提供的阻尼计算方法，包括以下步骤：
5.步骤一：对风电机、储能进行建模，求得线性化的多输入多输出表达形式；
6.步骤二：根据风电机和储能的控制机理，两者都忽略各自的dq轴电流内环和无功外环控制，风电机简化为两阶的单输入单输出阻抗形式，储能简化为一阶的单输入单输出阻抗形式；
7.步骤三：将交流网络线性化，通过阻抗矩阵将风电机和储能平衡区相连；
8.步骤四：风电机的二阶阻抗形式作为前馈二阶子系统，储能平衡区作为反馈环节，根据阻尼转矩方法计算储能平衡区对风电机提供的虚拟阻尼。
9.通过寻找公共节点，使n个储能的平衡区形成反馈环节，降低了储能平衡区提供虚拟阻尼的计算难度；将传统风电机和储能的多输入多输出形式，变为d轴坐标下的单输入单输出阻抗形式，进而满足阻尼转矩分析法的适用范围。
10.本发明一种用于基于储能的平衡区对新能源提供的阻尼计算方法有益效果如下：
11.1.将含有多个储能的平衡区简化为单输入单输出的反馈环节，形成有效的阻尼转矩分析范围，方便对储能对新能源并网稳定性做出定量分析。
12.2.通过调整储能平衡区的运行工况，储能数量和功率的变化，皆可计算储能平衡区对新能源提供的虚拟阻尼。
附图说明
13.图1为实施例n个储能的平衡区接入风电机并网系统图；
14.图2为实施例网侧换流器控制结构图；
15.图3为实施例储能定功率控制结构图；
16.图4为实施例系统线性化闭环模型图；
17.图5为实施例系统简化闭环图。
具体实施方式
18.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
19.本发明提出一种用于基于储能的平衡区对新能源提供的阻尼计算方法。首先，对风电机、储能进行建模，求得线性化的多输入多输出表达形式；再根据风电机和储能的控制机理，两者都忽略各自的dq轴电流内环和无功外环控制，风电机简化为两阶的单输入单输出阻抗形式，储能简化为一阶的单输入单输出阻抗形式；接着将交流网络线性化，通过阻抗矩阵将风电机和储能平衡区相连；最后，风电机的二阶阻抗形式作为前馈二阶子系统，储能平衡区作为反馈环节，根据阻尼转矩方法计算储能平衡区对风电机提供的虚拟阻尼。
20.通过寻找公共节点，使n个储能的平衡区形成反馈环节，降低了储能平衡区提供虚拟阻尼的计算难度；将传统风电机和储能的多输入多输出形式，变为d轴坐标下的单输入单输出阻抗形式，进而满足阻尼转矩分析法的适用范围。本发明的具体方法如下：
21.1系统线性化
22.1.1n个储能平衡区接入风电机并网系统
23.图1为基于n个储能的平衡区接入风电机并网系统，由于外部交流系统容量远大于此系统中的容量，于是可将外部交流系统当作无穷大系统，并且将此系统分成三部分：第一部分为新能源并网，风电机机侧换流器输出功率为pm，网侧换流器输出功率pw，c是直流电压电容，v
dc
为c上的直流电压，vw＝v
wd
+jv
wq
、iw＝i
wd
+ji
wq
为新能源经dq轴坐标系下与交流网络交点的电压电流，v
cd
、v
cq
为网侧换流器的输出电压，rw+jxw为网侧滤波阻抗；第二部分为n个储能的平衡区，其公共节点为p节点，i
pk
＝i
pdk
+ji
pqk
(k＝1,2
…
n)与v
pk
＝v
pdk
+jv
pqk
表示dq坐标系下储能向交流网络注入的电流与电压，储能平衡区流入网络的总电流为i
p
＝i
pd
+ji
pq
，端口电压为v
p
＝v
pd
+jv
pq
，储能与公共节点之间的阻抗为r
pk
+jx
pk
；第三部分为交流网络结构，连接风电机，储能和外部交流系统，其中线路电抗为r
pi
+jx
pi
(i＝1,2,3)。
24.1.2风电机线性化
25.新能源并网中，风电机接入系统一般采用定电压控制，在现有大部分研究中，忽略机侧的动态响应，根据图1有，δpm＝0，直流电容上的控制方程为，
[0026][0027]
式(1)中下标“0”表示稳态值，“δ”为取变量的微增量，在稳态时有，v
wq0
＝0，为提高风电机输出功率，有i
wq0
＝0，式(1)中δpw可简化为，
[0028]
δpw＝v
wd0
δi
wd
+i
wd0
δv
wd
ꢀꢀ
(2)
[0029]
对于网侧换流器的控制，其基本控制结构如图2所示，上标“ref”表示参考值，k
vp
与kvi
、k
qp
与k
qi
、k
dp
与k
di
、k
qp
与k
qi
为直流电压外环、无功外环、d轴电流内环、q轴电流内环的比例放大倍数和积分放大倍数，qw为风电机无功输出。由于网侧换流器电流内环控制环节的频率为直流电压外环的10倍左右，因此可忽略电流内环控制环节，有为直流电压外环的10倍左右，因此可忽略电流内环控制环节，有根据图2有，
[0030][0031]
无功的线性化表达式为，
[0032]
δqw＝-i
wq0
δv
wd-v
wd0
δi
wq
ꢀꢀ
(4)
[0033]
于是综合式(1)-式(4)，得到风机的传递函数，
[0034][0035]
1.3基于储能的平衡区线性化
[0036]
储能忽略无功外环影响，采用定有功功率控制，其控制框图如图3所示，图中下标“k”表示为第k个储能，其输出功率为p
pk
+jq
pk
，k
ppk
与k
pik
、k
qpk
与k
qik
、k
dpk
与k
dik
、k
qpk
与k
qik
为有功外环、无功外环、dq轴电流内环控制的比例放大系数和积分放大系数。同样忽略dq轴电流内环控制，有根据图3可知：
[0037][0038]
忽略锁相环的影响，有v
pdk,0
＝v
pk,0
，v
pqk,0
＝0，此时储能输出功率线性化为，
[0039][0040]
而在储能的输出控制中，有q
pk,0
＝0，所以式(8)中，i
pqk,0
＝0，从而可以忽略无功外环的影响，结合式(6)与式(7)可有，
[0041][0042]
1.4交流网络线性化
[0043]
在不考虑线路动态的前提下，由此系统的网络模型为，
[0044][0045]
其中，y为导纳矩阵，δi
pd
、δi
pq
、δv
pq
和δv
pq
为储能参数矢量矩阵：
[0046]
δi
pd
＝[i
pd1 i
pd2
…ipdn
]，δi
pq
＝[i
pq1 i
pq2
…ipqn
]，
[0047]
δv
pd
＝[v
pd1 v
pd2
…vpdn
]，δv
pq
＝[v
pq1 v
pq2
…vpqn
]
[0048]
1.5整个系统线性化闭环模型
[0049]
根据式(5)、式(8)和式(9)可构成整个系统的闭环模型，其结构示意图如图4所示，在锁相环理想情况，并且风电机和储能的输出皆为有功时，δi
wq
＝0，δv
wq
＝0，δi
pq
＝0，δv
pq
＝0，得到网络关系矩阵有，
[0050][0051]
其中hk(s)为hk(s)的对角矩阵，将h(s)分成4块矩阵，
[0052][0053]
于是可得到，
[0054]
δv
wd
＝z(s)δi
wd
ꢀꢀ
(12)
[0055]
其中，z(s)＝(y
1-y2×
(y3)-1
×
y4)-1
[0056]fdelta
(s)＝z(s)f(s)
ꢀꢀ
(13)
[0057]
其中，f(s)＝-i
wd0
(sk
vp
+k
vi
)为式(5)中的分子项，于是图4可简化为图5，其中m(s)＝cv
dc0
s2+v
wd0
(sk
vp
+k
vi
)为式(5)的分母项，由f
delta
(s)可分析储能的平衡区对新能源并网提供的虚拟阻尼。
[0058]
2基于储能的平衡区对新能源并网提供的虚拟阻尼
[0059]
对于传统的阻尼转矩分析，是将有功功率分解：δp＝tdδω+tkδδ，其中td为阻尼项，影响振荡模式的阻尼，tk为同步项，影响振荡模式的频率，根据图5，阻尼转矩的一般表达式为，
[0060]
(as2+bs+c)δδ＝δt(s)
ꢀꢀ
(14)
[0061]
δt(s)＝f
delta
(s)δδ
ꢀꢀ
(15)
[0062]
由g(s)可知a＝cv
dc0
、b＝v
wd0kvp
、c＝v
wd0kvi
，并且系统的机电振荡模式为λs＝ξs+jωs，在复频域下有，
[0063][0064]
在复频域下，将δt(s)分解：
[0065]
δt(λs)＝tkδδ(λs)+tdδω(λs)
ꢀꢀ
(17)
[0066]
结合式(15)-式(17)，f
delta
(s)在复频域下为
[0067][0068]
对于式(14)和式(17)来说，基于储能的平衡区影响新能源并网的阻尼主要为td，
而td的求解为，
[0069][0070]
当td＜0时，此时储能平衡区对新能源并网提供负的虚拟阻尼；当td＞0时，此时储能平衡区对新能源并网提供正的虚拟阻尼。
[0071]
本发明带来的收益：
[0072]
根据图1中储能的平衡区接入风电机并网系统，设置仿真实验验证虚拟阻尼分析的正确性，风电机和储能的控制如前文所述，并且有相应的模型。每台储能功率设置为0.1pu，共有10台，求出此时系统的振荡模式为λd＝-6.0915+j32.4016。
[0073]
首先根据式(14)求得直流电压外环振荡模式中的二阶环节为a＝1，b＝6，c＝700，可得到虚拟阻尼和虚拟同步分量为：
[0074][0075]
式(20)中下标“1”与下文式(21)中“2”表示为为系统开环和加入储能后闭环的虚拟阻尼和虚拟同步分量。再通过式(19)计算储能对新能源并网的影响，其提供虚拟阻尼和虚拟同步分量为：
[0076][0077]
为了验证上述分析的正确性，将式(21)带入到式(14),有，
[0078]
s2+(d1+6.1831)s+k1+386.9749＝0
ꢀꢀ
(22)
[0079]
式(22)的解为λd＝-6.0915+j32.4016，与前面计算的系统振荡模式一致，有次证明基于储能的平衡区对并联新能源提供的虚拟阻尼分析方法的正确性。并且td'＝6.1831-6.0040＝0.1791》0，此时储能的平衡区对新能源并网提供的是正的虚拟阻尼，可以改善系统的动态稳定性。